استياء تستغل أجهزة قياس المستوى مبدأ أرخميدس للكشف عن مستوى السائل عن طريق قياس وزن جسم ما بشكل مستمر (يسمى استياء) مغمورة في سائل العملية. مع ازدياد مستوى السائل، يتعرض المزاح لقوة طفو أكبر، مما يجعله يبدو أخف وزناً بالنسبة لجهاز الاستشعار، الذي يفسر فقدان الوزن على أنه زيادة في المستوى ويرسل إشارة خرج متناسبة.

استياء أجهزة قياس المستوى

في الواقع العملي، عادةً ما يتخذ جهاز قياس مستوى الإزاحة الشكل التالي. تم حذف أنابيب العملية الداخلة والخارجة من الوعاء للتبسيط - يظهر فقط الوعاء وجهاز قياس مستوى الإزاحة الخاص به:

استياء أجهزة قياس المستوىعادةً ما يكون أنبوبًا معدنيًا محكم الإغلاق، مُثقَّلًا بما يكفي لمنعه من الطفو في سائل العملية. وهو مُعلَّق داخل أنبوب يُسمى "قفصًا" متصل بوعاء العملية عبر صمامين مانعين للتسرب وفوهات. يضمن هذان الأنبوبان تطابق مستوى السائل داخل القفص مع مستوى السائل داخل وعاء العملية، تمامًا مثل زجاجة المراقبة.

إذا ارتفع مستوى السائل داخل وعاء المعالجة، يرتفع مستوى السائل داخل القفص ليُطابقه. سيؤدي ذلك إلى غمر جزء أكبر من حجم المُزيح، مما يُولّد قوة طفو تُؤثر عليه لأعلى. تذكر أن المُزيح ثقيل جدًا بحيث لا يطفو، لذا فهو لا "يتأرجح" على سطح السائل ولا يرتفع بنفس مقدار ارتفاع مستوى السائل، بل يبقى معلقًا في مكانه داخل القفص، ويصبح "أخف" مع ازدياد قوة الطفو. تستشعر آلية استشعار الوزن قوة الطفو هذه عندما تلاحظ أن المُزيح أصبح أخف، مُفسّرةً انخفاض الوزن (الظاهري) على أنه زيادة في مستوى السائل. يصل الوزن الظاهري للمُزيح إلى أدنى قيمة له عندما يكون مغمورًا بالكامل، أي عندما يصل سائل المعالجة إلى نقطة 100% داخل القفص.

تجدر الإشارة إلى أن الضغط الساكن داخل الوعاء سيكون له تأثير ضئيل على دقة جهاز الإزاحة. العامل الوحيد المهم هو كثافة سائل العملية، لأن قوة الطفو تتناسب طرديًا مع كثافة السائل.$F=ج\mathrm{في}$).

تُظهر الصورة التالية جهاز إرسال هوائي من طراز "مستوى-ترول" من شركة فيشر، وهو يقيس مستوى المكثفات في طبلة الضربة القاضية لخدمة الغاز الطبيعي. يظهر الجهاز نفسه على الجانب الأيمن من الصورة، ويعلوه "رأس" رمادي اللون مع مقياسين لضغط الهواء. "قفص" الإزاحة هو الأنبوب الرأسي الموجود خلف وحدة الرأس وأسفلها مباشرةً. لاحظ وجود مقياس مستوى زجاجي على الجانب الأيسر من غرفة الطرد (أو غطاء تصريف المكثفات) للإشارة المرئية إلى مستوى المكثفات داخل وعاء المعالجة:

الغرض من جهاز الإزاحة هذا هو قياس كمية سائل التكثيف المتجمع داخل "الحذاء". يأتي هذا الطراز من جهاز فيشر مستوى-ترول مزودًا بآلية تحكم هوائية ترسل إشارة ضغط هواء إلى صمام تصريف لتصريف التكثيف تلقائيًا من الحذاء.

تظهر هنا صورتان لجهاز إزاحة مستوى-ترول مفكك، توضحان كيفية تركيب جهاز الإزاحة داخل أنبوب القفص:

يتم توصيل أنبوب القفص بوعاء المعالجة عبر صمامين مانعين، مما يسمح بعزله عن العملية. ويسمح صمام التصريف بتفريغ القفص من سائل المعالجة لصيانة الجهاز ومعايرة الصفر.

لا تستخدم بعض أجهزة استشعار مستوى السائل من نوع الإزاحة قفصًا، بل تُعلق عنصر الإزاحة مباشرةً في وعاء المعالجة. تُسمى هذه الأجهزة "أجهزة استشعار بدون قفص". وبالطبع، تُعد الأجهزة بدون قفص أبسط من الأجهزة ذات القفص، ولكن لا يمكن صيانتها دون تخفيف الضغط (وربما حتى تفريغ) وعاء المعالجة الذي توجد فيه. كما أنها عُرضة لأخطاء القياس و"التشويش" إذا كان السائل داخل الوعاء مُضطربًا، سواءً بسبب سرعات التدفق العالية داخل وخارج الوعاء، أو بسبب عمل المراوح التي تعمل بمحرك والمثبتة في الوعاء لتوفير خلط شامل لسوائل المعالجة.

يمكن إجراء معايرة النطاق الكامل عن طريق غمر القفص بسائل المعالجة (أ) مبتل (المعايرة)، أو عن طريق تعليق جهاز الإزاحة بخيط ومقياس دقيق (أ) جاف (المعايرة)، سحب جهاز الإزاحة لأعلى بالقدر المناسب تمامًا لمحاكاة الطفو عند مستوى سائل بنسبة 100٪:

يُعد حساب قوة الطفو هذه أمرًا بسيطًا. فبحسب مبدأ أرخميدس، تساوي قوة الطفو دائمًا وزن حجم السائل المُزاح. وفي حالة جهاز قياس مستوى يعتمد على عنصر الإزاحة عند مداه الكامل، يعني هذا عادةً أن حجم عنصر الإزاحة بأكمله مغمور في السائل. ببساطة، احسب حجم عنصر الإزاحة (إذا كان أسطوانيًا، $\mathrm{في}=ص{ر}^2ل$، أين $ر$ يمثل نصف قطر الأسطوانة و $ل$ (حيث يمثل طول الأسطوانة) واضرب هذا الحجم في كثافة الوزن ($ج$):

$$F_{ب\mathrm{في}\mathrm{ال}وأنت}=ج\mathrm{في}$$

$$F_{ب\mathrm{في}\mathrm{ال}وأنت}=جص{ر}^2ل$$

على سبيل المثال، إذا كانت كثافة وزن سائل العملية 57.3 رطل لكل قدم مكعب وكان المزاح عبارة عن أسطوانة قطرها 3 بوصات وطولها 24 بوصة، فيمكن حساب القوة اللازمة لمحاكاة حالة الطفو عند المستوى الكامل على النحو التالي:

$$ج=\left(\frac{\text{57.3 رطل}}{{\text{قدم}}^3}\right)\left(\frac{{\text{1 قدم}}^3}{{12}^3{\text{ في}}^3}\right)=0.0332\frac{\text{رطل}}{{\text{في}}^3}$$

$$\mathrm{في}=ص{ر}^2ل=ص(1.5\text{ في}{)}^2(24\text{ في})=169.6{\text{ في}}^3$$

$$F_{ب\mathrm{في}\mathrm{ال}وأنت}=ج\mathrm{في}=\left(0.0332\frac{\text{رطل}}{{\text{في}}^3}\right)\left(169.6{\text{ في}}^3\right)=5.63\text{ رطل}$$

لاحظ مدى أهمية الحفاظ على اتساق الوحدات! تم إعطاء كثافة السائل بوحدة رطل لكل متر مكعب قدم وأبعاد جهاز الإزاحة في بوصات، الأمر الذي كان سيُسبب مشاكل خطيرة لولا التحويل بين القدم والبوصة. في المثال الذي قدمته، اخترتُ تحويل الكثافة إلى وحدات رطل لكل بوصة مكعبة، ولكن كان بإمكاني بسهولة تحويل أبعاد المُزيح إلى أقدام للوصول إلى حجم المُزيح بوحدات القدم المكعبة.

في معايرة "السائل"، تتولد قوة الطفو البالغة 5.63 رطل بفعل السائل نفسه، ويتأكد الفني من وجود كمية كافية من السائل داخل القفص لمحاكاة حالة مستوى سائل بنسبة 100%. أما في معايرة "الجاف"، فتُحاكى قوة الطفو عن طريق شد المزيل لأعلى باستخدام ميزان يدوي وخيط، حيث يسحب الفني بقوة 5.63 رطل لأعلى ليجعل الجهاز يعتقد أنه يستشعر مستوى سائل بنسبة 100% بينما يكون المزيل جافًا تمامًا ومعلقًا في الهواء.

أنابيب عزم الدوران استياء أجهزة قياس المستوى

تتمثل إحدى المشكلات التصميمية المثيرة للاهتمام لأجهزة إرسال مستوى السائل من نوع الإزاحة في كيفية نقل الوزن المُستشعر للمُزيح إلى آلية الإرسال مع ضمان منع تسرب ضغط بخار العملية من تلك الآلية نفسها. والحل الأكثر شيوعًا لهذه المشكلة هو آلية مبتكرة تُسمى أنبوب عزم الدورانلسوء الحظ، قد يكون من الصعب فهم أنابيب عزم الدوران ما لم يكن لديك وصول عملي مباشر إليها، ولذلك سيتناول هذا القسم المفهوم بمزيد من التفصيل أكثر مما هو متاح عادةً في كتيبات المراجع.

تخيل قضيبًا معدنيًا صلبًا أفقيًا، له شفة في أحد طرفيه ورافعة عمودية في الطرف الآخر. الشفة مثبتة على سطح ثابت، ووزن معلق من نهاية الرافعة. تُظهر الدائرة المرسومة بخط متقطع مكان لحام القضيب بمركز الشفة.

تُحدث قوة الوزن المؤثرة على الرافعة عزم دوران (قوة التواء) في القضيب، مما يؤدي إلى التواء طفيف على طوله. وكلما زاد الوزن المعلق في نهاية الرافعة، زاد التواء القضيب. وطالما أن عزم الدوران الناتج عن الوزن والرافعة لا يتجاوز حد المرونة للقضيب، فسيستمر القضيب في العمل كنابض. إذا عرفنا ثابت النابض للقضيب، وقمنا بقياس انحرافه الالتوائي، فيمكننا في الواقع استخدام هذه الحركة الطفيفة لقياس مقدار الوزن المعلق في نهاية الرافعة.

في جهاز قياس مستوى السائل من نوع الإزاحة، تحل الإزاحة محل الثقل الموجود في نهاية الرافعة، ويشير انحرافها الالتوائي إلى قوة الطفو. ومع ارتفاع السائل، تزداد قوة الطفو المؤثرة على الإزاحة، مما يجعلها تبدو أخف وزنًا من منظور الرافعة. وبالتالي، تشير الحركة الطفيفة للرافعة الناتجة عن هذا التغير الظاهري في الوزن إلى مستوى السائل.

تخيل الآن حفر ثقب طويل عبر القضيب، بشكل طولي، يصل تقريبًا إلى الطرف الذي تتصل به الرافعة. بعبارة أخرى، تخيل ثقب أعمى عبر مركز القضيب، بدءًا من الحافة وانتهاءً قبل الوصول إلى الرافعة بقليل:

لا يُغيّر وجود هذا الثقب الطويل الكثير في سلوك المجموعة، باستثناء ربما تغيير ثابت زنبرك القضيب. فمع كمية أقل من المعدن الصلب، سيكون القضيب زنبركًا أضعف، وسيلتوي بدرجة أكبر عند تطبيق وزن في نهاية الرافعة. والأهم من ذلك، لأغراض هذه المناقشة، أن الثقب الطويل يحوّل القضيب إلى أنبوب بنهاية مغلقة. وبدلاً من أن يُطلق عليه اسم "قضيب الالتواء"، يُطلق عليه الآن بشكل أدق اسم أنبوب عزم الدوران، مع دوران طفيف للغاية مع تطبيق وزن في نهاية الرافعة.

ولتوفير دعم رأسي لأنبوب عزم الدوران حتى لا يترهل للأسفل تحت تأثير الوزن المطبق، يتم استخدام دعامة. محمل ذو حافة حادة غالبًا ما يتم وضع نقطة الارتكاز أسفل طرف الرافعة عند نقطة اتصالها بأنبوب عزم الدوران. والغرض من هذه النقطة هو توفير دعم رأسي للوزن مع تشكيل نقطة ارتكاز عديمة الاحتكاك تقريبًا، مما يضمن أن الإجهاد الوحيد المطبق على أنبوب عزم الدوران هو عزم الدوران من الرافعة:

وأخيرًا، تخيل قضيبًا معدنيًا صلبًا آخر (قطره أصغر قليلاً من قطر الفتحة) ملحومًا بالطرف البعيد للفتحة العمياء، ويمتد إلى ما بعد نهاية الشفة:

يتمثل الغرض من هذا القضيب ذي القطر الأصغر في نقل حركة الالتواء للطرف البعيد لأنبوب عزم الدوران إلى نقطة خلف الحافة حيث يمكن استشعارها. تخيل الحافة مثبتة على جدار رأسي، بينما يسحب وزن متغير لأسفل عند نهاية الرافعة. سينثني أنبوب عزم الدوران بحركة التواء مع القوة المتغيرة، ولكننا الآن قادرون على رؤية مقدار التواءه من خلال مراقبة دوران القضيب الأصغر على الجانب القريب من الجدار. قد يكون الوزن والرافعة مخفيين تمامًا عن أنظارنا خلف هذا الجدار، لكن حركة التواء القضيب الصغير تكشف مع ذلك عن مدى استجابة أنبوب عزم الدوران لقوة الوزن.

يمكننا تطبيق آلية أنبوب العزم هذه لقياس مستوى السائل في وعاء مضغوط، وذلك باستبدال الثقل بجسم مُزيح، وربط الحافة بفوهة ملحومة بالوعاء، ومحاذاة جهاز استشعار الحركة مع طرف القضيب الصغير لقياس دورانه. مع ارتفاع مستوى السائل وانخفاضه، يتغير الوزن الظاهري للجسم المُزيح، مما يؤدي إلى التواء طفيف في أنبوب العزم. ثم يُستشعر هذا الالتواء الطفيف عند طرف القضيب الصغير، في بيئة معزولة عن ضغط سائل العملية.

صورة فوتوغرافية مأخوذة لأنبوب عزم الدوران الحقيقي من جهاز إرسال مستوى "مستوى-ترول" من شركة فيشر تُظهر مظهره الخارجي:

المعدن ذو اللون الداكن هو الفولاذ المرن المستخدم لتعليق الوزن من خلال عمله كزنبرك التواء، بينما الجزء اللامع هو القضيب الداخلي المستخدم لنقل الحركة. وكما تلاحظ، فإن أنبوب عزم الدوران نفسه ليس واسع القطر. ولو كان كذلك، لكان زنبركه شديد الصلابة لدرجة تجعله غير عملي للاستخدام في جهاز تسوية من نوع الإزاحة، لأن الإزاحة عادةً ما تكون خفيفة الوزن، والذراع ليس طويلاً.

إن النظر عن كثب إلى كل طرف من طرفي أنبوب عزم الدوران يكشف عن الطرف المفتوح حيث يبرز القضيب ذو القطر الصغير (يسار) والطرف "المغلق" للأنبوب حيث يتصل بالرافعة (يمين):

إذا قمنا بتقطيع مجموعة أنبوب عزم الدوران إلى نصفين طولياً، فسيبدو مقطعها العرضي كالتالي:

يوضح الرسم التوضيحي التالي أنبوب عزم الدوران كجزء من جهاز إرسال مستوى كامل من نوع الإزاحة:

كما ترون من هذا الرسم التوضيحي، فإن أنبوب عزم الدوران يخدم ثلاثة أغراض متميزة عند تطبيقه على تطبيق قياس مستوى من نوع الإزاحة: (1) أن يكون بمثابة زنبرك التواء يعلق وزن الإزاحة، (2) لعزل ضغط سائل العملية عن آلية استشعار الموضع، و(3) لنقل الحركة من الطرف البعيد لأنبوب عزم الدوران إلى آلية الاستشعار.

في أجهزة إرسال مستوى الهواء المضغوط، تكون آلية الاستشعار المستخدمة لتحويل حركة دوران أنبوب عزم الدوران إلى إشارة هوائية (ضغط الهواء) عادةً من نوع توازن الحركة التصميم. على سبيل المثال، تستخدم آلية فيشر مستوى-ترول أنبوب بوردون على شكل حرف C مزودًا بفوهة في نهايته، ليتبع حاجزًا متصلًا بقضيب صغير. يتماشى مركز أنبوب بوردون مع مركز أنبوب عزم الدوران. مع دوران القضيب، يتقدم الحاجز نحو الفوهة عند طرف أنبوب بوردون، مما يؤدي إلى ارتفاع الضغط الخلفي، والذي بدوره يتسبب في انثناء أنبوب بوردون. يؤدي هذا الانثناء إلى إبعاد الفوهة عن الحاجز المتقدم حتى يتحقق التوازن. وبالتالي، تتوازن حركة القضيب مع حركة أنبوب بوردون، مما يجعل هذا النظام نظامًا هوائيًا متوازن الحركة.

قياس مستوى واجهة الإزاحة

يمكن استخدام أجهزة قياس مستوى الإزاحة لقياس فواصل السوائل تمامًا كما هو الحال مع أجهزة قياس الضغط الهيدروستاتيكي. ومن الشروط الأساسية أن تكون الإزاحة مغمورة بالكامل دائمًا. في حال عدم استيفاء هذا الشرط، لن يتمكن الجهاز من التمييز بين مستوى السائل المنخفض (الكلي) ومستوى الفاصل المنخفض. يُشابه هذا المعيار استخدام أجهزة قياس فرق الضغط ذات الأرجل المُعاوَضة لقياس مستويات فواصل السوائل: فلكي يستجيب الجهاز فقط لتغيرات مستوى الفاصل، دون أن يتأثر بتغيرات مستوى السائل الكلي، يجب غمر نقطتي اتصال العملية.

إذا كان لجهاز الإزاحة "قفص" خاص به، فمن المهم غمر كلا الأنبوبين اللذين يربطان القفص بوعاء المعالجة (ويُطلق عليهما أحيانًا "الفوهات"). يضمن ذلك تطابق سطح السائل داخل القفص مع سطح السائل داخل الوعاء. إذا جفت الفوهة العلوية، فقد تحدث المشكلة نفسها مع جهاز الإزاحة ذي القفص كما هو الحال مع مقياس مستوى السائل ذي "زجاجة الرؤية" (انظر القسم [مشكلة في الواجهة] (ابدأ من الصفحة للحصول على شرح مفصل لهذه المشكلة.)

إن حساب قوة الطفو المؤثرة على عنصر إزاحة نتيجةً لمزيج من سائلين ليس بالصعوبة التي قد تبدو عليها. لا يزال مبدأ أرخميدس ساريًا: قوة الطفو تساوي وزن السائل (أو السوائل) المزاحة. كل ما علينا فعله هو حساب الأوزان والأحجام الكلية للسوائل المزاحة لحساب قوة الطفو. بالنسبة لسائل واحد، تساوي قوة الطفو كثافة وزن ذلك السائل ($ج$) مضروبًا في الحجم المزاح ($\mathrm{في}$):

$$F_{ب\mathrm{في}\mathrm{ال}وأنت}=ج\mathrm{في}$$

بالنسبة لسطح فاصل بين سائلين، فإن قوة الطفو تساوي مجموع وزني السائلين المزاحين، حيث يساوي كل حد من أوزان السائل كثافة وزن ذلك السائل مضروبة في حجم ذلك السائل المزاح:

$$F_{ب\mathrm{في}\mathrm{ال}وأنت}={ج}_1{\mathrm{في}}_1+{ج}_2{\mathrm{في}}_2$$

بافتراض وجود جسم إزاحة ذي مساحة مقطع عرضي ثابتة على امتداد طوله، فإن حجم إزاحة كل سائل يساوي ببساطة نفس المساحة ($ص{ر}^2$) مضروبًا في طول المزيل المغمور في ذلك السائل:

$$F_{ب\mathrm{في}\mathrm{ال}وأنت}={ج}_1ص{ر}^2{ل}_1+{ج}_2ص{ر}^2{ل}_2$$

بما أن المنطقة ($ص{ر}^2$) مشترك بين حدي الطفو في هذه المعادلة، لذا يمكننا حذفه كعامل مشترك لتبسيط الأمر:

$$F_{ب\mathrm{في}\mathrm{ال}وأنت}=ص{ر}^2({ج}_1{ل}_1+{ج}_2{ل}_2)$$

يُعدّ تحديد نقاط معايرة جهاز قياس مستوى السوائل من نوع الإزاحة لتطبيقات قياس مستوى الواجهات أمرًا يسيرًا نسبيًا إذا تمّت دراسة حالتي الحد الأدنى والحد الأقصى لمستوى الواجهات كزوج من "التجربتين الفكريتين"، كما فعلنا مع قياس مستوى الواجهات الهيدروستاتيكي. أولًا، نتخيّل كيف ستبدو حالة جهاز الإزاحة عندما يكون مستوى الواجهة عند الحد الأدنى، ثم نتخيّل سيناريو مختلفًا عندما يكون مستوى الواجهة عند الحد الأقصى. يُنصح برسم توضيحات لكل سيناريو لزيادة الوضوح.

لنفترض أن لدينا جهاز إزاحة لقياس مستوى الفصل بين سائلين ذوي كثافة نوعية 0.850 و1.10، بطول 30 بوصة وقطر 2.75 بوصة (نصف قطر = 1.375 بوصة). لنفترض أيضًا أن مستوى الفصل عند السطح السفلي (LRV) هو مستوى الفصل عند السطح السفلي، ومستوى الفصل عند السطح العلوي (URV) هو مستوى الفصل عند السطح العلوي. إن تحديد مستوى الفصل عند السطح السفلي والعلوي عند طرفي طول جهاز الإزاحة يُبسط حساباتنا، حيث أن تجربة LRV ستكون ببساطة عبارة عن غمر جهاز الإزاحة بالكامل في سائل خفيف، وتجربة URV ستكون ببساطة عبارة عن غمر جهاز الإزاحة بالكامل في سائل ثقيل.

حساب قوة الطفو لسفينة الإنزال البرمائية:

$$F_{ب\mathrm{في}\mathrm{ال}وأنت}\text{ (أمريكا اللاتينية)}={ج}_2\mathrm{في}={ج}_2ص{ر}^2ل$$

حساب قوة الطفو للمركبة غير المأهولة:

$$F_{ب\mathrm{في}\mathrm{ال}وأنت}\text{ (URV)}={ج}_1\mathrm{في}={ج}_1ص{ر}^2ل$$

عرض الحسابات الفعلية لهذا المثال الافتراضي:

$${ج}_1=\left(62.4\frac{\text{رطل}}{{\text{قدم}}^3}\right)(1.10)=68.6\frac{\text{رطل}}{{\text{قدم}}^3}=0.0397\frac{\text{رطل}}{{\text{في}}^3}$$

$${ج}_2=\left(62.4\frac{\text{رطل}}{{\text{قدم}}^3}\right)(0.85)=53.0\frac{\text{رطل}}{{\text{قدم}}^3}=0.0307\frac{\text{رطل}}{{\text{في}}^3}$$

$$F_{ب\mathrm{في}\mathrm{ال}وأنت}\text{ (أمريكا اللاتينية)}=\left(0.0307\frac{\text{رطل}}{{\text{في}}^3}\right)ص(1.375\text{ في}{)}^2(30\text{ في})=5.47\text{ رطل}$$

$$F_{ب\mathrm{في}\mathrm{ال}وأنت}\text{ (URV)}=\left(0.0397\frac{\text{رطل}}{{\text{في}}^3}\right)ص(1.375\text{ في}{)}^2(30\text{ في})=7.08\text{ رطل}$$

يمكن حساب الطفو لأي نسبة قياس بين LRV (0%) و URV (100%) عن طريق الاستيفاء: